TWI387334B - 具有延伸動態範圍之影像感測器及影像捕捉系統 - Google Patents

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Description

具有延伸動態範圍之影像感測器及影像捕捉系統
本發明係關於具有增加動態範圍的基於半導體之影像感測器。
固態影像感測器現在廣泛用於許多類型之影像捕捉應用。所使用之兩種主要影像感測器技術係電荷耦合裝置CCD及CMOS x-y可定址裝置。目前，存在兩種技術之許多不同特定具體實施例，包括用於CMOS x-y可定址裝置之主動像素感測器(Active Pixel Sensor；APS)及被動像素感測器(Passive Pixel Sensor；PPS)。全部係基本上由一光偵測器組或陣列組成，其將入射光轉換為可讀出並用於構造與入射光圖案相關之影像的電信號。用於光偵測器陣列之曝光或整合時間可藉由眾所皆知的機制控制。該信號代表入射至像素感光單元之光數量。成像感測裝置之動態範圍(dynamic range；DR)定義為通常稱為飽和信號(Vsat )之有效最大可偵測信號位準與感測器之rms.雜訊位準(σnoise )之比率。公式1中顯示此關係。
公式1：動態範圍=Vsat /σnoise
影像感測器裝置，例如整合由入射光子產生的電荷之電荷耦合裝置(CCD)，具有由可收集並保持在給定感光單元內之電荷數量(Vsat )限制的動態範圍。例如，對於任何給定CCD，像素內可收集並偵測的電荷數量與像素面積成正比。因此對於用於百萬像素數位靜態照相機(digital still camera；DSC)之商業裝置，代表Vsat之電子數量在13,000至20,000電子之等級。若入射光極亮並產生可保持在像素或光偵測器內的更多電子，該等額外電子由像素內抗輝散機制擷取並且無助於增加飽和信號。因此，最大可偵測信號位準限於可保持在光偵測器或像素內的電荷數量。DR亦由感測器雜訊位準σnoise 限制。由於Vsat限制，為將σnoise 降至極低位準，已在CCD內作了許多工作。通常，商業百萬像素DSC裝置具有1000：1或更小之DR。
APS及PPS裝置亦存在DR之相同限制。Vsat 由光偵測器內可保持及隔離的電荷數量限制。額外電荷丟失。由於像素內之主動及被動組件限制光偵測器之可用區域且由於CMOS裝置內使用的低電壓供應及時脈，相對於CCD，此問題在APS及PPS上更為嚴重。此外，由於APS裝置已用於提供晶片上之影像感測器系統，CCD上不存在的用於APS裝置之數位及類比電路(例如時序及控制以及類比至數位轉換)對APS裝置提供比CCD高甚多之雜訊底部。此係由於較高時域雜訊以及可能的來自晶片上類比至數位轉換器之量子化雜訊。
在美國專利第6,069,377號中，Guidash揭示用於延伸APS裝置動態範圍之先前技術方法，並揭示一種延伸動態範圍之新發明。此方法具有每個像素需要四個以上電晶體之缺點並限制了可製造像素之大小。在於美國專利第6,307,195號以及第6,486,504號中，Guidash揭示藉由收集從光偵測器輝散之電荷以及藉由光偵測器之共同整合及單一像素內之 漂浮擴散來延伸動態範圍。該等方法具有光偵測器飽和位準之空間變更(造成感測器內之固定圖案雜訊)的潛在缺點，並且不會增加感測器敏感度。
先前技術APS裝置亦具有較弱光敏感度，其係由於像素內主動組件整合及入射光透過濾色片層(置於像素上)之損失引起的有限填充因數。
從上述說明應明白先前技術中需要保持延伸動態範圍，同時保持較低固定圖案雜訊、較小像素及較高敏感度之裝置。
本發明提供分離控制用於影像感測器上任何給定空間圖案之整合的構件，更明確地說係用於與CFA圖案內核心之一或兩維相容的圖案。其藉由在給定列或列組內之像素提供分離TG或RG匯流排，或藉由提供任何構件以分離控制用於影像感測器陣列內給定像素圖案之整合時間而完成。如此實施，影像之較暗及較亮區域始終可同時使用有效資料。
參考附圖閱讀較佳具體實施例之以下詳細說明及隨附申請專利範圍，可更清楚瞭解並明白本發明之該等及其他觀點、目的、特徵及優點。
圖1a及1b顯示典型先前技術影像感測器像素陣列。圖1a之影像感測器可為任何技術類型，例如CCD或CMOS APS。圖1a內之像素陣列10包含一組光偵測器。對於每個像素，整合時間係常數，10a區域中之像素表示皆具有相同的整合 時間。此方法之缺點係，若整合時間較長，影像較亮區域之像素將變得飽和且較亮區域之影像細節將丟失。若整合時間選擇成較短，由於低信號及高雜訊，影像較暗區域之影像品質將較差。圖1b之影像感測器在2002年7月17日由Guidash申請之美國專利申請案第08/960,418號中揭示，標題為「具有可程式化彩色平衡之主動像素感測器」，其中與CFA圖案相關聯之像素陣列(array)20的每種色彩具有分離整合時間，以實現電荷域白平衡。如圖1b內，區域20a，綠色像素在綠-紅列(raw)中，區域20b，紅色像素在綠-紅列中，區域20c，藍色像素在綠-藍列中，區域20d，綠色像素在綠-藍列中。此與圖1a中影像感測器像素陣列所引用者之缺點相同。
參考圖2a，本發明之影像感測器像素陣列30包括有利於不同可程式化整合時間之陣列，但空間圖案與圖1b所示不同。對於x-y可定址CMOS影像感測器，此可使用分離傳輸閘極或重設閘極完成。對於CCD影像感測器，此可藉由具有分離傳輸閘極完成。圖2a內影像感測器像素陣列30構造成使像素具有用於配合列對40a及40b(其與濾色片陣列圖案間距或核心相關)之兩個不同整合時間。具有較長整合時間之像素稱為快像素。具有較短整合時間之像素稱為慢像素。在拜耳CFA圖案之情形中，此為二列間距。藉由具有此圖案內之分離整合時間，影像感測器之有效動態範圍如圖3所示延伸。區域1中，即低光位準區域，感測器之慢及 快像素未飽和。快像素具有遠在雜訊底部之上的信號位準。與感測器雜訊底部相比，慢像素具有預定比率內之信號位準。區域2內，慢及快像素皆未飽和，兩者皆具有適當信號雜訊比。區域3中，即高光位準區域，快像素已飽和或截短，並不包含有效信號位準資訊。慢像素未飽和且包含具有適當信號雜訊比之有效信號位準資訊。由於有效資訊與CFA圖案相關，藉由插入慢像素可決定快像素的遺失資訊。使用圖3所示之分離整合時間結構，採用單一訊框捕捉，並執行空間適應影像處理。區域2中，標準先前技術彩色影像處理方法用於提供影像。對於落入區域3之影像捕捉內的像素區域，慢像素插入用於決定快像素內之遺失信號資訊。此導致影像極亮區域內的真實MTF丟失，但產生有效較高飽和照明位準Isat。此有效地延伸影像感測器之景物內動態範圍。儘管極亮區域內真實空間解析度降級，但保留了影像捕捉內丟失的影像內容。
圖2a之感測器結構設計成提供具有兩列第一整合時間及相鄰兩列第二整合時間的整合時間圖案。此可藉由具有用於此圖案中整合時間之多個或分離控制使用任何類型之影像感測器完成。對於CMOS及其他x-y可定址影像感測器，此可簡單地藉由具有以兩組分離整合指標(其應用於控制整合時間之交替列信號線對)配置的影像感測器時序而完成。此可為每列內之傳輸閘極線，或每列內之重設閘極線，或用於控制該列之整合時間的任何其他每列信號。在CCD影像感測器情形中，此需要傳輸閘極互連構造成至少交替 列對具有與傳輸閘極線之分離及隔離連接。
圖2b之陣列內顯示本發明之第二具體實施例。此具體實施例中，感測器陣列50構造成2乘2像素圖案60a及60b內具有兩個分離及可程式化整合時間。x-y可定址影像感測器技術情形中，此可藉由具有用於控制整合時間之每列多個信號線而實現，例如傳輸閘極或重設閘極。該等每列多個信號線連接至交替像素對，以產生圖2b所示之整合時間圖案。
參考圖4a，顯示控制整合時間之多個信號線70之佈線。佈置多個信號線70以控制每列之整合時間的一缺點係填充因數之減小或較大像素大小，其係為了使額外信號線適合像素間距。此藉由圖4b之信號線佈置結構來克服。此情形中，每列使用單一整合時間控制線80，但實際上單一整合時間控制線80係佈置至兩個相鄰列內的像素。以相同方式佈置相鄰列內之信號線80以產生圖2b所示之整合時間圖案。依此方法，儘管一次性從感測器讀出單列資料，資料流內包含之像素係來自陣列內之實體相鄰列。為正確重建影像，必須在照相機影像記憶體內修正交錯式資料。此亦為本發明之特徵。由於可將晶片上或照相機內記憶體設定成將資料寫入兩個或更多列位置，不必使感測器從一實體列同時讀出全部像素。
如上所述，此提供具有較寬景物內動態範圍及較寬曝光寬容度之影像感測器及影像捕捉系統。單一影像捕捉可提供具有低光位準整合時間最佳化之完全範圍影像資訊，而無需截短影像高光區域內之信號資訊。此可大大簡化成像 系統內之曝光控制系統及演算法，因為曝光或整合時間選擇不必精確。
應注意使用此一感測器之影像捕捉系統可用於測量或決定景物之動態範圍，以適當設定兩個整合時間。在照相機系統之測光階段中，兩個寬分離之整合時間可用於決定景物內最大及最小光位準。接著可調整兩個整合時間以涵蓋景物內照明範圍。例如，若需要捕捉之景物的動態範圍在影像感測器之固有動態範圍內，則可將兩個整合時間設定為相同值。若景物包含寬過感測器真實動態範圍之動態範圍，則可將兩個整合時間設定為匹配或最佳涵蓋景物動態範圍。
參考圖5，顯示用於實施本發明之影像感測器的照相機90係許多針對消費者之商業具體實施例之一。
本發明已參考較佳具體實施例予以說明。然而，應明白熟習技術人士可實施變更及修改，而不背離本發明之範圍。
10‧‧‧像素陣列
20‧‧‧像素陣列
20a‧‧‧綠色像素，在綠-紅列中
20b‧‧‧紅色像素，在綠-紅列中
20c‧‧‧藍色像素，在綠-藍列中
20d‧‧‧綠色像素，在綠-藍列中
30‧‧‧像素陣列
40a‧‧‧配合列對
40b‧‧‧配合列對
50‧‧‧感測器陣列
60a‧‧‧2乘2像素圖案
60b‧‧‧2乘2像素圖案
70‧‧‧多個信號線
80‧‧‧單一整合時間控制線
90‧‧‧照相機
圖1a係先前技術像素陣列；圖1b係另一先前技術像素陣列；圖2a係本發明之像素陣列；圖2b係本發明之替代具體實施例；圖3係以圖示方式說明圖2a及2b之實施方案的圖式；圖4a係每列兩個整合控制線之說明；圖4b係每列一個整合時間信號線之說明；以及圖5係用於將圖2a及2b之像素陣列實施為較佳商業具體 實施例之照相機。
30‧‧‧像素陣列
40a‧‧‧配合列對
40b‧‧‧配合列對

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，其包含：複數個像素，其配置在列與行的一陣列中；一濾色片圖案，其跨越至少該等像素之一部分，其中該濾色片圖案形成複數個濾色片核心，其在一預定配置內在該濾色片圖案內具有每一顏色之至少一色彩，該預定配置具有在每一濾色片核心中之一相同色彩圖案，及其中該等濾色片核心排列在不同均勻分散的至少兩組，該至少兩組與該濾色片圖案相關；以及一機制，其用於根據每一濾色片核心之空間位置獨立地控制每一濾色片核心之一整合時間，其中至少一濾色片核心包含具有一第一整合時間之至少一快像素及具有一第二整合時間之至少一慢像素，其中該第一整合時間比該第二整合時間長，及來自至少一慢像素之資料包含具有適當信號訊雜比之有效信號位準資訊而來自至少一快像素之資料不包含有效信號位準資訊。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該濾色片圖案係一拜耳濾色片圖案。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中該複數個濾色片核心之每一者包含一2×2核心。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中該複數個濾色片核心包含在一整合時間之兩條線及處於另一整合時間之相鄰兩條線的一交替圖案。
  5. 如請求項1之影像感測器，其進一步包含在該陣列中用於 每一列像素之一信號線，其中每一信號線基於該等濾色片核心之配置而佈置在兩相鄰列內之該等像素之至少一部分。
  6. 一種照相機，其包含：一影像感測器，其包含：複數個像素，其配置在列與行的一陣列中；一濾色片圖案，其跨越至少該等像素之一部分，其中該濾色片圖案形成複數個濾色片核心，其在一預定配置內在該濾色片圖案內具有每一顏色之至少一色彩，該預定配置具有在每一濾色片核心中之一相同色彩圖案，及其中該等濾色片核心排列在不同均勻分散的至少兩組，該至少兩組與該濾色片圖案相關；以及一機制，其用於根據每一濾色片核心之空間位置獨立地控制每一濾色片核心之一整合時間，其中至少一濾色片核心包含具有一第一整合時間之至少一快像素及具有一第二整合時間之至少一慢像素，其中該第一整合時間比該第二整合時間長，及來自至少一慢像素之資料包含具有適當信號訊雜比之有效信號位準資訊而來自至少一快像素之資料不包含有效信號位準資訊。
  7. 如請求項6之照相機，其中該濾色片圖案係一拜耳濾色片圖案。
  8. 如請求項6之照相機，其中該等濾色片核心包含一2×2核心。
  9. 如請求項6之照相機，其中該複數個濾色片核心包含在一 整合時間之兩條線及處於另一整合時間之相鄰兩條線的一交替圖案。
  10. 如請求項6之照相機，其中該影像感測器進一步包含在該陣列中用於每一列像素之一信號線，其中每一信號線基於該等濾色片核心之配置而佈置在兩相鄰列內之該等像素之至少一部分。
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